摘要:通过对石阡中坝地热矿区大地构造背景和小构造环境分析,认为该热矿水主要受红石断裂、石阡断裂带的联合控制,其形成原因是地下水经深部循环加热而成,热源主要是正常地温梯度之下地壳内部放射性元素(U238、U235、Th232、K40等)衰变时释放的巨大热能。
关键词:石阡县中坝地热矿水控矿条件初探;建议
1 概况
石阡县中坝地热矿水矿区位于石阡县城南西约12Km,石阡——镇远县级公路通过矿区,交通方便。地表出露地热矿水泉点有2个(其邻区有泉群出露),分布于中坝南西木瓜溪河床中,为低温温泉,水温分别为21℃有地表水混入)、27℃。本文通过对该区地热矿水特征、控矿条件等进行分析,初步探讨其形成原因。
2 区域水文地质条件
2.1 构造
中坝地热矿水矿区大地构造位于扬子准地台黔北台隆贵阳复杂变形区与风冈北北东向构造变形区过渡地带、北北东向石阡断裂与北东向红石断裂交接部位,构造发育。由一系列北东向,北北东向断裂、褶皱组成。
2.1.1 褶皱
佛顶山背斜:矿区位于该背斜北东倾伏端,背斜轴向北东,两翼地层倾角7-55°,轴部地层为巨厚的板溪群变质岩,南东翼受石阡断层截切后在江河以南地区使寒武系下统地层与板溪群直接接触,北西翼受红石断层截切,在平望以南,寒武系下、中统地层与板溪群接触,倾伏端两翼小规模挠曲构造发育。
塘头向斜:位于地热矿区北西,走向北北东,核部由二叠系、三迭系地层组成,两翼由寒武系、奥陶系、志留系地层组成。该向斜两翼及南西转折端附近发育一系列北东向断裂,其中北东向红石断裂斜切该转折端并在其附近与近南北向石阡断裂交汇。
2.1.2 断层
红石断层(F1断层):为走向北东、倾向北西,延长规模大、切割深度大的区域性压扭性断层,断层倾角80°,断层两侧挤压拖拉挠曲,破碎带角砾岩,硅化发育,破碎带宽两米多,影响带宽200-300m,断距200-1500m,区域切割最老地层为板溪群。该断层形成于雪峰期,此后长期活动,燕山期活动最强,干扰和切断了一系列褶皱和断裂,在矿区南西的木瓜溪及北东端见有低温温泉出露。
郭栗压性断层(F2断层):走向北东,倾向北西,倾角50-80°,在花桥与红石断层复合。
石阡断层(F3断层):走向北北东,性质压性,纵贯全区,亦具S性弯曲,石阡以北,多倾向北西西,倾角45-75°,石阡以南,倾向南东东,倾角70°左右。断裂破碎带宽20-150m,常见角砾岩,挠曲和派生小断层。沿该断裂及影响带有5个温泉出露点。该断层在石阡南切割F1,F2两断层。
2.2 地层岩性
主要出露地层有板溪群至二叠系和第四系残、坡、洪积层。由上至下分述如下:
2.2.1 第四系(Q)
由粘土、砂土、砂砾组成。厚0-10m,分布于Ⅰ、Ⅱ级阶地上。
2.2.2 二叠系(P)
栖霞组(P1q):灰,深灰色,中至厚层结晶石灰岩,含较多的燧石结核和团块,并夹炭质页岩。厚150m左右。
梁山组(P1l):灰白色粉砂岩,碳质页岩,夹劣质煤,厚10m左右。与下伏地层为假整合接触。
2.2.3 志留系(S)
韩家店群(S2-3hn):主要由砂岩及砂质、粉砂质页岩组成,厚约300m。
石牛拦群(S2sh):上为灰色中厚层状含生物结晶灰岩夹页岩;下部为灰绿色含云母钙质页岩夹灰岩团块。厚约150m。与下伏地层为假整合接触。
2.2.4 奥陶系(O)
十字铺组(O2sh):灰色中厚层含生物碎屑瘤状灰岩夹泥灰岩,厚约11m。
宝塔组(O2b):灰色中厚层龟裂纹状含泥质灰岩,厚约60m。
湄潭组(O1m):为灰色、黄绿色泥、砂质页岩,钙质页岩,下部夹多层薄层(或透镜状)生物碎屑灰岩,厚度约300m。
红花园组(O1h):灰色厚层及块状结晶灰岩,含大量生物碎屑,厚50m左右。
桐梓组(O1t):为灰色薄层至中厚层白云岩,厚约250m。
2.2.5 寒武系(∈)
娄山关群(∈2-3ls),石冷水组(∈2s):浅灰色,薄至中厚层结晶白云岩夹少量白云质灰岩。厚约256-330m。
高台组(∈2g):灰黄色薄层白云岩及泥质砂质白云岩,厚约40m。
清虚洞组(∈1q):上为浅灰色中厚层泥质白云岩;中为浅灰色中至厚层白云质灰岩,具豹皮状结构;下为灰色薄层钙质页岩、薄层含泥质灰岩。厚200-300m。
把榔组(∈1p):为一套浅灰、灰绿色页岩,厚290-640m。
金顶山组(∈1j):上为灰绿色薄至厚层状细粒石英砂岩,云母质砂岩;下为黑色碳质、砂质页岩。厚288-338m。
明心世组(∈1m):为一套深灰色砂质、钙质页岩夹泥灰岩。厚71-378m。
牛蹄塘组(∈1n):为薄层硅质页岩、碳质砂质页岩。厚约100m。
2.2.6 震旦系(Z)
灯影组(Z2d):由灰色薄层状白云岩,硅质粘土岩组成。厚60-131m。
南沱组(Z1n):主要为冰碛砾岩夹含砾绢云母板岩、含砾石石英砂岩,厚约80-200m。与下伏地层为角度不整合接触。
2.2.7 青白口系(Qb)
主要出露于佛顶山背斜轴部,由浅灰、灰色中厚层变余砂岩,灰绿色绢云母板岩,粉砂质板岩,变余砂岩组成,厚万米以上
2.3 地下水的补、径、排
区域上地下水以大气降水补给为主,大气降水至地面,以断层及背斜轴沿张裂隙、溶隙、溶洞、落水洞及岩层古蚀面,以及两翼断层裂隙为下渗通道渗入地下,受构造控制向北东径流,至红石、石阡、郭粟三断层交汇部,在此富集带,地下水除下渗补给深部含水空间外,部分以井、泉、机井等方式排泄于地表,汇流于地表流。
3 地热矿水控矿地质条件
3.1 断层的挽近期活动
地热一般与挽近期构造运动关系密切,本区也不例外。沿红石断层(F1)、郭栗压性断层(F2)、石阡断层(F3)的破碎带及影响带和次级断层与之交汇带附近,见多处低、中温泉出露。区内构造晚近期运动的活动迹象明显,如断层崖、断层多期次磨擦面、成带状分布的温泉群等等,为该区地热矿水形成提供了有利的构造条件。
3.2 有利的构造配置和岩性组合
矿区处于区域性红石断层与石阡断层两条深大断裂带的交汇部位,具有良好的导热条件和地下水循环补给条件。在区内发育一巨厚的碳酸盐岩组合(∈1q-O1h),是很好的含水层;其上则为一套巨厚的泥砂质岩夹少量碳酸盐岩组合(O1m-P1l),具很好的盖层条件。因此,该区具备较好的地热矿水“生、储、盖、通”构造组合条件。
3.3 地热传导构造
3.3.1 断裂构造
矿区位于红石断层(F1)、郭栗断层(F2)、石阡断层(F3)三条区域性深大断裂的交接部位,断裂的相互切割,为本区地热的传导提供了通道。
3.3.1.1 红石断层
该断层分布于黄平上塘——石阡佛顶山隆起(背斜)北西翼,为燕山期以来长期活动的压扭性断层,断裂切割深度大,有利于地热向上传导。其旁侧次生断裂及破碎带发育,为地下水的向下渗入提供了通道及循环条件,有利对深部热源获取。物探成果显示该断层倾向北西,破碎带宽60-80m,北西盘600m深度极化率高达16%,极电阻值小,等极线稀少,为低阻异常,可推测为热矿水较富集带。因此,由于该断层与石阡断层构造复合,为热矿水的补、储、通、循具备了有利条件。
3.3.1.2 郭栗断层:也为活动断层,断层倾向北西、倾角由北东的80°至南西渐变为50-55°。从该断层面产状变化特征分析:北东段深部导热条件优于南西段。
3.3.1.3 石阡断层:为一活动强、切割深,向上导热条件好的断裂构造。从区域上地热矿水泉点分布可以看出,该断裂对本区地热传导起着控制作用。
3.3.2 褶皱
矿区位于佛顶山背斜北东倾伏端,该倾伏端位于红石断层(F1)、郭栗断层(F2)、石阡断层(F3)、木瓜溪断层(F4)四条断层夹块内,中坝镇一带为该倾伏端与十万屯向斜复合部位,具备有地热运移、储存、循环、热流线密集条件。
4 地热矿水形成原因分析
4.1 地热源
前已述及,地热水形成的因素主要热源、水源、盖层、通道。该区及区域上挽近期没有岩浆岩活动现,矿区处于扬子准地台四级构造单元贵阳复杂构造变形区,是一个相对隆起的构造带,地热矿水泉点发育,其热源应主要是来自地壳内地壳岩石中分布集中的放射性元素(U238、U235、Th232、K40等)衰变时释放的巨大热能的热能,为本区主要热源;其次也可能为岩石中的部分铁、锰、锌、铜、铅、金、银等金属及富钾、锶、碘等产生的高矿化热能。
4.2 地热储热层
根据区域地层岩性分析,本区的红花园组(O1h)、桐梓组(O1t)、娄山关群至清虚洞组(∈2-3ls-∈1q)、灯影组(Z2d)主要由碳酸盐岩组成,该类岩组具有较理想的孔隙率,溶孔、溶裂隙较发育,顶底部存在古溶蚀面,热导率相对较高(9-11.9cal/socmo℃),富水性良好,是本区的地热储热层。
4.3 地热隔热层
韩家店群(S2-3hn)、石牛拦群(S2sh)、十字铺组(O2sh)、宝塔组(O2b)、湄潭组(O1m)、把榔组(∈1p)、金顶山组(∈1j)、明心寺组(∈1m)、牛蹄塘组(∈1n)、南沱组(Z1n)、青白口系(Qb)主要由泥质岩类组成,该类地层岩性含水性较贫乏,热导率相对低(4.7-6.2cal/socmo℃),富水性差,起保温作用,是本区的隔热层。
4.4 储热单元
据本区地层岩性组合结构及隔、含热层空间分布特点,由上至下划分为两个储热单元。
(1)第二储热单元:隔热层为梁山组(P1l)、韩家店群(S2-3hn)、石牛拦群(S2sh)、十字铺组(O2sh)、宝塔组(O2b)、湄潭组(O1m)地层构成,结构较完整,厚度600-800m。储热含水层为红花园组(O1h)、桐梓组(O1t)、娄山关群(∈2-3ls)、石冷水组(∈2s)、高台组(∈2g)、清虚洞组(∈1q)地层组成,厚度大于1000m。
中坝一带该储热单元地层组合结构完整,而且具备厚度大、封闭良好的隔热层和岩溶构造发育、厚度大、储水深度大、富水条件好的储热含水层。因此,该储热单元是本区主要的储热构造。
(2)第一储热单元:上部隔热层为把榔组(∈1p)、金顶山组(∈1j)、明心寺组(∈1m)、牛蹄塘组(∈1n);储热含水层为灯影组(Z1d);下部隔热层为南沱组(Zan),青白口系(Qb)。该储热单元地层组合结构完整,而且隔热层厚度大于1000m,封闭良好,但储热含水层厚度仅百余米。因此,该储热单元是本区主要的次要储热构造。
4.5 地热矿水热循环机理
地热的分布主要受地质构造的控制,根据板块构造学说观点,地热异常带主要分为板缘(板间)地热带和板内地热带两大类型。板内地热带则进一步划分为隆起断裂带型与沉降盆地型。根据矿区所处的大地构造位置,结合该区域地热矿水控矿规律,分析认为:中坝一带地热矿水应属板内(欧亚板块)地热带隆起断裂型,地热矿水多沿构造带呈带状分布。
地热矿区位于区域性塘头向斜南西转折端与佛顶山背斜北东倾伏端的交接部位。大气降水主要通过塘头向斜暴露的含水层和断裂破碎带补给地下水,冷地下水一部份在含水层(热储层)中侧向流动,另一部份则通过断裂破碎带向渗透后进行深部循环,迳流过程中不断被大地热流加热成为热矿水。热矿水在深循环过程中,由于受到红石断裂南东盘系不透水岩层(佛顶山背斜)的阻隔,加上地热矿水向上热膨胀和受上部静水压力和巨厚隔水层阻压,深部地热矿水以古溶蚀面、红石断裂等为通道,在地压作用下从覆盖较厚的部位向覆盖较薄的部位运移汇集,在北东红石断裂与北北东向石阡断裂复合部,部分热矿水与浅部水混合后以低温温泉出露地表,另一部分则沿第二单元含水层及古溶蚀面向北东循环径流。从以上分析可以看出,该区地热矿水的形成是水热对流系统循环的结果。热循环主要受北东郭栗、红石、石阡三断层及褶皱构造的联合控制。构造复合部为较强富水区,因地下水不断汇集,静水压力随之不断增加,经深部循环加热形成的。
5 建议
从上世纪七十年代开始,先后有贵州工学院、贵州地矿局111和114地质大队、中科院地化所等单位对石阡县地热资源开展过不同形式的调查工作,对中坝地热水赋存特征的认识基本趋于一致。特别是我局114队近年来所作的工作尤系统,对该区地热水目的热单元的埋藏深度、水量、水温、水质等进行了初步分析。2008年,石阡县政府自筹资金开展了中坝1号深井勘查工作,根据勘查结果,除井深超设计(设计960米、实际1200米)外,水温、水量、水质等都达到了设计要求,从而验证了前人对该区地热资源特征的认识。
因此,应根据该区地热控矿规律,加强对县境内具有相同构造配置的区域开展地热资源勘查工作,查明本县地热资源情况,摸清家底。根据资源赋存特征,合理进行地热开发。同时也应将地热资源开发产品系列化、多元化,扩大石阡地热品牌的知名度,使这一优势资源能充分促进地方经济发展。
参考文献
[1]石涵静.地热矿水资源开发引起的环境地质问题[J].城市地质.2008-06-15.